核心提示：軌道交通在城市建設(shè)中發(fā)展極為迅猛，地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)也成為不可或缺的配置。面對(duì)國際品牌仍占據(jù)主導(dǎo)地位的競(jìng)爭壓力，國內(nèi)移動(dòng)門制造商技術(shù)升級(jí)刻不容緩。主要是介紹當(dāng)前移動(dòng)門市場(chǎng)狀況及國內(nèi)制造商的技術(shù)水平，以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：地鐵移動(dòng)門，控制系統(tǒng)，LonWorks，CAN，國產(chǎn)化，運(yùn)行維護(hù)
一、移動(dòng)門控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著城市建設(shè)步伐的加快，軌道交通得到了快速發(fā)展。作為軌道交通的重要組成部分，地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)的安全、可靠成為重要條件。國內(nèi)移動(dòng)門制造商也在與國外品牌的競(jìng)爭中發(fā)展壯大起來。國際上，英國westinghouse、法國Faiveley、瑞士KABA和日本Nabco4家公司成為最主要的移動(dòng)門生產(chǎn)廠家，都已經(jīng)承擔(dān)過一些地鐵線路的移動(dòng)門工程，它們提供了世界上約90%的移動(dòng)門系統(tǒng)。
在國內(nèi)地鐵移動(dòng)門市場(chǎng)，國外公司大多采取在國內(nèi)尋找合作伙伴的方式進(jìn)入中國市場(chǎng)，如廣州地鐵二號(hào)線移動(dòng)門工程中標(biāo)方就是廣州澳的斯電梯有限公司與英國西屋公司;深圳方大集團(tuán)于2000年與法維萊公司開始合作之后，雙方共同成功承建了泰國曼谷地鐵等移動(dòng)門工程項(xiàng)目;瑞士卡巴公司也與江蘇金創(chuàng)集團(tuán)合作在國內(nèi)承接移動(dòng)門工程項(xiàng)目;日本那博克公司與重慶川儀集團(tuán)也就移動(dòng)門項(xiàng)目進(jìn)行著合作。國內(nèi)最早開始從事移動(dòng)門研究的是廣州奧的斯電梯有限公司和深圳方大集團(tuán)，之后逐漸增加了廣州廣日集團(tuán)、上海通用冷氣機(jī)有限公司、重慶川儀總廠有限公司等。到目前為止，移動(dòng)門系統(tǒng)的國產(chǎn)化程度還相當(dāng)?shù)停壳皣鴥?nèi)有10家以上的公司正加大對(duì)移動(dòng)門系統(tǒng)的研發(fā)力度，以加快移動(dòng)門系統(tǒng)國產(chǎn)化的步伐。
二、地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)介紹
本文介紹國內(nèi)外二種移動(dòng)門控制系統(tǒng)，展示不同的技術(shù)路線，揭示國內(nèi)外地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)發(fā)展方向。
（一）、貝加萊地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)
貝加萊地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)在上海九號(hào)線（徐家匯—松江）的一期項(xiàng)目中，共9個(gè)站，共安裝貝加萊22個(gè)控制器PCC2003，20個(gè)15”觸摸屏4PP120。在此第一期項(xiàng)目中貝加萊公司和瑞士KABA公司合作。
1、 控制系統(tǒng)解決方案
貝加萊的PCC控制系統(tǒng)提供CAN總成冗余，使用雙CAN總線和門控制器聯(lián)接，與顯示器采用Ethernet聯(lián)接，B&R2003靈活的通信能力確保了以上通信要求都能實(shí)現(xiàn)，CPU模塊CP570管理所有的門控制器，離散I/O和網(wǎng)絡(luò)連接。B&R PP120作為中央顯示單元，每個(gè)控制室的操作終端采用15’’顯示屏，操作員和維護(hù)人員從而可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。
2、信息處理
Kaba Ghgen的自動(dòng)門專家們?yōu)槊恳簧乳T寫了高達(dá)104條不同的事件信息，每一個(gè)站48扇門，再加上120條左右系統(tǒng)信息，這樣中央采集的可能事件數(shù)量將超過5000條。觸發(fā)事件的動(dòng)作必須清晰直觀地被顯示。典型的事件包括門口堵塞、電機(jī)過熱、手動(dòng)撤消故障等。
貝加萊的PCC控制系統(tǒng)所具備的定性分時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行模式可以幫助優(yōu)化客戶軟件，大大降低系統(tǒng)的輪詢時(shí)間，并幫助軟件工程師精確控制每個(gè)任務(wù)進(jìn)程的循環(huán)時(shí)間。
3、 Automation Studio軟件特點(diǎn)
Automation Studio是一個(gè)集成了項(xiàng)目中所有組件工具的軟件開發(fā)環(huán)境，因此可應(yīng)用于任何規(guī)模任何范圍的項(xiàng)目。無論在項(xiàng)目的哪個(gè)階段，規(guī)劃、執(zhí)行、測(cè)試、生產(chǎn)或調(diào)試過程中，統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境既提高了生產(chǎn)效率又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。在移動(dòng)門控制器的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中。Automation Studio提供了一個(gè)優(yōu)化的編程環(huán)境，采用C語言來開發(fā)系統(tǒng)，保證一個(gè)系統(tǒng)長時(shí)期使用。還可以設(shè)置用戶輸入密碼以進(jìn)入系統(tǒng)。每扇單獨(dú)的門都配備一個(gè)門控制單元（DCU），根據(jù)接收的指令。控制單元專門控制電機(jī)和開關(guān)門機(jī)械裝置，確保在安全范圍內(nèi)門的作用力和速度都處于最優(yōu)化的狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)門上的傳感器和執(zhí)行器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并不斷發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至站臺(tái)移動(dòng)門控制器（PSC）。地鐵移動(dòng)門觸發(fā)事件的動(dòng)作必須清晰直觀地被顯示。典型的事件包括門口堵塞、電機(jī)過熱、手動(dòng)手動(dòng)撤消故障等。所有這些事件觸發(fā)都通過PCC控制系統(tǒng)先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過Automation Studio軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，對(duì)所有的觸發(fā)事件進(jìn)行響應(yīng)和處理。
（二）、國產(chǎn)地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)
本文介紹一種國產(chǎn)地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)理念及思路，不代表作者認(rèn)同其觀念，并提出技術(shù)改進(jìn)空間和應(yīng)用前景。
2010年由尹盼春受南京熊貓機(jī)電儀技術(shù)有限公司委托設(shè)計(jì)的“地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)”目的是研制出一種可以面向市場(chǎng)的、低成本的、國產(chǎn)化的移動(dòng)門設(shè)備。主要研究集移動(dòng)門電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與移動(dòng)門邏輯控制于一體的移動(dòng)門控制系統(tǒng)。這種高度集成并一體化的控制方案主要采用了一個(gè)ARM7微控制器實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了制造成本，實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化利用。
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：軟件的設(shè)計(jì)是以硬件為基礎(chǔ)，依據(jù)系統(tǒng)的具體功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括移動(dòng)門各種邏輯控制功能的設(shè)計(jì)、數(shù)字PID控制算法的設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)等。
基本思想：地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本思想是，采用巡檢的方式，不斷對(duì)各個(gè)輸入端口進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。對(duì)一些重要信號(hào)的檢測(cè)，要采用定時(shí)中斷方式，定時(shí)檢測(cè)這些信號(hào)的狀態(tài)。移動(dòng)門控制系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖4.1所示。
系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化，接著執(zhí)行門寬參數(shù)的自學(xué)習(xí)程序。此后的程序是一個(gè)循環(huán)操作過程，包括開始正常運(yùn)行、障礙物檢測(cè)、采樣電流信號(hào)、UART串口通信、CAN總線通信、PID控制以及檢測(cè)輸入信號(hào)，再結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)做出相關(guān)處理，執(zhí)行相應(yīng)子程序，完成對(duì)移動(dòng)門的控制。
軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化程序、門寬參數(shù)自學(xué)習(xí)程序、移動(dòng)門控制任務(wù)程序、開關(guān)門過程控制程序、CAN總線通信程序、不完全微分增量式PID算法六個(gè)部分。
編者認(rèn)為CAN總線固然有其開發(fā)成本低廉、技術(shù)難度小、開發(fā)人才眾多等優(yōu)勢(shì)，而相比LonWorks總線技術(shù)，CAN總線的可靠性、通信速率、施工及運(yùn)維成本等均有較大差距。國外廠商相關(guān)產(chǎn)品通常采用的是LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在事關(guān)公眾乘車安全的移動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如何充分利用既有CAN總線開發(fā)資源、又具備LonWorks總線通信優(yōu)勢(shì)，是國內(nèi)移動(dòng)門制造企業(yè)必須面對(duì)的問題。
1、系統(tǒng)初始化程序
系統(tǒng)上電后，ARM7微控制器LPC2129復(fù)位，系統(tǒng)開始執(zhí)行初始化程序，配置控制系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，包括對(duì)一LPC2129、系統(tǒng)變量、移動(dòng)門運(yùn)行參數(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序的初始化：1.LPC2129初始化程序用于設(shè)置LPC2129內(nèi)核時(shí)鐘運(yùn)行模式，使能片內(nèi)和片外設(shè)備，包括設(shè)置各個(gè)1/0端口的方向，設(shè)置ADC模塊的轉(zhuǎn)換條件、轉(zhuǎn)換通道等。2.系統(tǒng)變量初始化，用于定義并初始化系統(tǒng)程序在運(yùn)算過程中使用到的變量，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序變量、門速曲線變量、串口通信及CAN總線通信變量等。3.移動(dòng)門運(yùn)行參數(shù)初始化程序，用于讀取移動(dòng)門運(yùn)行參數(shù)，包括移動(dòng)門開關(guān)門曲線參數(shù)，防擠壓力信號(hào)產(chǎn)生的閡值參數(shù)等。4.電打L馬區(qū)動(dòng)控制初始化程序，如設(shè)置電機(jī)控制功能模塊相關(guān)的寄存器，包括設(shè)置PWM…信號(hào)的開關(guān)頻率、初始化AD轉(zhuǎn)換模塊工作方式等。
2、門寬參數(shù)自學(xué)習(xí)程序
在移動(dòng)門控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了門寬參數(shù)自學(xué)習(xí)功能。門寬參數(shù)自學(xué)習(xí)的工作過程為：在移動(dòng)門控制系統(tǒng)初始化完成后，移動(dòng)門將以均勻慢速關(guān)門一次，第一次關(guān)門的過程為初始化關(guān)門過程，這是為了讓移動(dòng)門運(yùn)行到完全關(guān)閉的位置保證計(jì)數(shù)位置的準(zhǔn)確性；然后移動(dòng)門再以均勻慢速開門一次，這個(gè)過程中，單片機(jī)將記錄門在打開過程中各點(diǎn)的位置，門在開關(guān)的過程中，與無刷直流電機(jī)同軸連接的霍爾位置傳感器產(chǎn)生脈沖，一個(gè)脈沖就對(duì)應(yīng)著門體一段固定的位移;當(dāng)門開到最大位置時(shí)，門停止移動(dòng)，此時(shí)沒有新脈沖輸入到單片機(jī)，則脈沖計(jì)數(shù)器就記錄了門寬參數(shù)。這一門寬參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別過程叫門寬參數(shù)自學(xué)習(xí)功能，這一程序執(zhí)行的過程稱為自檢。
自學(xué)習(xí)過程中，定義了五個(gè)工作狀態(tài):初始化關(guān)門狀態(tài)、關(guān)門到位狀態(tài)、等待、初始化開門狀態(tài)和開門到位狀態(tài)。在順序執(zhí)行完這五個(gè)過程后，控制系統(tǒng)就將門的位置參數(shù)存放到微控制器的存儲(chǔ)器中，每次初始化時(shí)一該參數(shù)都需重置。識(shí)別到的門寬參數(shù)是開、關(guān)門運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，主要用來確定門運(yùn)行的過程中加速和減速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以及一些特殊功能的識(shí)別點(diǎn)，比如門寬剛好允許人通過的最小位置。
系統(tǒng)可以存儲(chǔ)的門的位置參數(shù)不止一組，所以在門寬參數(shù)自學(xué)習(xí)運(yùn)行之后系統(tǒng)也可以選擇是否按照本次獲得的參數(shù)運(yùn)行，還是調(diào)用外部存儲(chǔ)器中已經(jīng)存儲(chǔ)的己往的門寬參數(shù)。自學(xué)習(xí)程序流程圖如圖4.2所示。
3、移動(dòng)門控制程序
移動(dòng)門的控制過程如下所述。控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先執(zhí)進(jìn)行自檢，自檢不能完成時(shí)，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。自檢完成后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，控制系統(tǒng)查詢中斷信號(hào)，對(duì)移動(dòng)門進(jìn)行相應(yīng)的控制。
3.1正常操作
地鐵每隔幾分鐘就有一個(gè)班次到達(dá)地鐵站臺(tái)，所以地鐵移動(dòng)門每隔幾分鐘就要開關(guān)一次，正常情況下控制系統(tǒng)分為四個(gè)工作狀態(tài)，分別是開門狀態(tài)、開門結(jié)束狀態(tài)、關(guān)門狀態(tài)、關(guān)門結(jié)束狀態(tài)。控制系統(tǒng)完成自檢后就會(huì)等待來自列車系統(tǒng)或者站臺(tái)的就地控制盤發(fā)出的開關(guān)門信號(hào)，進(jìn)行一次開關(guān)門操作并將事件記錄下來存入外部存儲(chǔ)器。系統(tǒng)正常運(yùn)行程序流程圖如圖4.3所示。
另外，系統(tǒng)還要不斷檢測(cè)手動(dòng)開門信號(hào)和手動(dòng)關(guān)門信號(hào)，它們屬于移動(dòng)門的手動(dòng)操作控制。由于手動(dòng)操作控制具有最高優(yōu)先級(jí)，因此在正常運(yùn)行時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)手動(dòng)開門信號(hào)與手動(dòng)開門信號(hào)產(chǎn)生，就會(huì)立刻從上圖的狀態(tài)循環(huán)中脫離，保持開門到位或者關(guān)門到位狀態(tài)不變，直至信號(hào)消失為止。
3.2防擠壓功能
如上所述，本移動(dòng)門控制系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)防擠壓功能的實(shí)現(xiàn)采取了兩種模式:被動(dòng)安全模式:在關(guān)門的過程中，如果電機(jī)在低速時(shí)電樞電流突然增大到微控制器設(shè)定的閉值并持續(xù)一小段時(shí)間時(shí)一(為了排除關(guān)門到位時(shí)所產(chǎn)生的過流信號(hào))，系統(tǒng)就認(rèn)為遇到了障礙物或人，立即使門停下，然后控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使門后退至容許人通過的最小門寬位置處(可編程值)停止，然后將在大約5秒鐘(可編程值)后，門再自動(dòng)關(guān)閉，該關(guān)閉周期將會(huì)重復(fù)3次(可編程值)。如果門仍然不能關(guān)閉，系統(tǒng)被設(shè)置為故障并且停止操作，移動(dòng)門完全打一開，LED顯示閃爍和蜂鳴器報(bào)警，等待工作人員進(jìn)行維修或者故障處理。
主動(dòng)安全模式:在關(guān)門的過程中如果遇到人或障礙物靠近時(shí)紅外傳感器動(dòng)作，發(fā)出紅外信號(hào)一，微控制器發(fā)出停止關(guān)門命令，直至紅外信號(hào)消失且電機(jī)速度降至很低、沒有過流信號(hào)時(shí)系統(tǒng)才可以執(zhí)行關(guān)門操作。防擠壓程序的流程圖如圖4.4所示。
4、開關(guān)門過程控制程序
移動(dòng)門在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的速度是不同的，門開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求電機(jī)啟動(dòng)力矩大，所以電機(jī)要以較低的初速度啟動(dòng)，然后加速至最大。門運(yùn)動(dòng)將要結(jié)束時(shí)，為避免機(jī)械沖擊，在車門運(yùn)行至全行程85%的位置時(shí)開始減速，到全行程95%的位置時(shí)保持低速直至門完全閉合。
控制系統(tǒng)以門速曲線為依據(jù)，計(jì)算開門、關(guān)門時(shí)不同位置處的給定速度，進(jìn)而設(shè)置不同的PWM信號(hào).井空比。為了減少程序的計(jì)算量，事先將涉及到的各個(gè)速度對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)程序只需以查表的方式，就可以讀出它們。設(shè)計(jì)時(shí)，在RAM中開辟一個(gè)單元，用來存貯電機(jī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。系統(tǒng)主程序采用分時(shí)操作的方式，根據(jù)開關(guān)門信號(hào)和電機(jī)的土一狀態(tài)，發(fā)出本次操作指令，并更新電機(jī)狀態(tài)，開關(guān)門過程控制程序流程如圖4.6所示。
5、CAN總線通信程序
移動(dòng)門控制系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)，按照控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的要求，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各設(shè)備，連接成網(wǎng)絡(luò)集成式的全分布控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)門的基本控制、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)視等綜合自動(dòng)化功能。在一個(gè)移動(dòng)門控制子系統(tǒng)中，PSC、PSL和DCU組通過CAN總線構(gòu)成開放的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這兩路現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)互為熱備用，它們可同時(shí)傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。如果工作中的一路現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)生故障，則另一路備用的現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。整個(gè)切換過程無擾動(dòng)，并不影響移動(dòng)門系統(tǒng)的正常運(yùn)行。LPCZ129內(nèi)部集成有兩路CAN控制器，符合CANZ.OB，JSO11989一1標(biāo)準(zhǔn)，總線數(shù)據(jù)波特率可達(dá)IMbPs;可訪問32位寄存器和隊(duì)M，保證門控單元Dcu與就地控制盤PSL等的快速準(zhǔn)確通訊。LPCZ129作為主控制器的同時(shí)，還作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)控制器，與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交換。
編者認(rèn)為，該設(shè)計(jì)應(yīng)采用更為可靠、系統(tǒng)更穩(wěn)定、施工與維護(hù)更為簡單的LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以全面提升地鐵移動(dòng)門控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。海思將為國內(nèi)移動(dòng)門制造商提供強(qiáng)大的LonWorks技術(shù)合作。
6、不完全微分增量式HD算法
由于微控制器LPC2129只能處理數(shù)字量，所以基于LPC2129的電機(jī)速度PID控制實(shí)際上是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量，而不能像模擬PID控制那樣連續(xù)輸出控制量，因此對(duì)一連續(xù)的控制計(jì)算式中的積分環(huán)節(jié)以及微分環(huán)節(jié)是不能直接進(jìn)行運(yùn)算的，所以在控制系統(tǒng)中必須先對(duì)PID控制律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。離散化處理的方法為:以T作為采樣周期，以k作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分。
海思CAN轉(zhuǎn)LonWorks網(wǎng)關(guān)
海思LON3150IM系列LonWorks通信控制模塊
